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見證 SpaceX 太空霸業的啟端:簡談要讓全世界都能上網的「星鏈計畫」

  • 文/國家實驗研究院國家太空中心
    整合測試組組長陳維鈞博士、電機組副研究員陳秀莉博士
    2019.05.25 上午2:30於美國佛羅里達州

5 月 23 日晚間 10 點 30 分,SpaceX 公司在卡納維爾角空軍基地第 40 號發射台,成功發射了攜載 60 枚星鏈計畫 (Starlink) 衛星的獵鷹九號火箭,發射 1 小時 2 分 47 秒後 60 枚衛星順利與第二節火箭分離。

SpaceX 獵鷹九號火箭發射實況

攜載60枚星鏈(Starlink)衛星的獵鷹九號火箭發射實況。 (陳維鈞拍攝於美國佛羅里達州卡納維爾角)

讓所有地方都能上網!野心勃勃的「星鏈計畫」

星鏈計畫是 SpaceX 公司要以一大群通訊衛星星系,在地球上方的太空軌道上,建置低成本高性能的網際網路通訊系統,最終目的是讓地球上的每個居民都能在任何地方上網,尤其是現在地球上仍有一半將近 40 億人無法上網,這個網路通訊系統特別具有意義。

SpaceX 公司計畫以 11,900 枚衛星達成任務目標,這個數量是 62 年以來升空繞行地球太空軌道衛星總數的大約 2 倍,是仍在正常運轉衛星總數約 8 倍。2019 年美國聯邦通信委員會已通過 SpaceX 公司申請的衛星頻段與數量如下表:

表一、星鏈 (Starlink) 衛星數量、軌道與頻段。(資料來源:維基百科)

SpaceX 公司預計 2019 年起 6 年內可達成一半衛星數量的部署,9 年內達成全部部署,花費成本估計 100 億美元,預估可在 2025 年營收 300 億美元。

於軌道運行展開太陽能板的星鏈(Starlink)衛星。
(圖片來源:SpaceX Twitter)

這次上空的六十枚衛星,用上了哪些新技術?

這次發射的 60 枚衛星,每枚重量僅有 227 公斤,只有地球同步軌道通訊衛星重量的 20 分之一,主要目的有:

一、新衛星技術的驗證,包括:使用霍爾效應推進器與燃料『氪』、雙向高通量傳輸的天線、新展開型態太陽能板、高精準度星象儀、自動防撞、碎片追蹤、除役後回歸地球時在大氣層燒毀,

二、驗證新型態無線網際網路資料傳輸,

三、衛星與元件的失效率統計,作為日後衛星系統與元件設計的改進,進而尋找更低的製作成本。即使有著較低製作成本,SpaceX公司仍在這一次 beta 版 60 枚衛星的飛試一共動用了6,000人研製與測試衛星,顯示人力仍是研製衛星的重要資產。

在實現各項新技術驗證方面,可藉由發射實況舉例來說明,根據下圖,SpaceX 公司在推特上發布火箭整流艙內 60 枚衛星堆疊的照片,顯示兩排各 30 枚衛星從下到上堆疊形成四方柱體,並由四個側邊的中心點由上到下固定於下方火箭酬載轉接環上,每枚衛星有三個固定點。

60 枚 Starlink 衛星在獵鷹九號火箭整流罩艙內推疊的型態。
(圖片來自SpaceX Twitter)

再由 SpaceX公司在 Youtube 上發布的獵鷹九號發射影片觀察 60 枚衛星釋放方式,參考下圖,不同於傳統分離裝置採逐一彈射方式與火箭分離,而是採群體自由釋放,而且又要兼顧發射時固定衛星的強度,其分離機構相當耐人尋味,猜測應該是使用電能釋放形狀記憶合金裝置 (SHAPE MEMORY ALLOY, SMA, ACTUATOR)為基礎的設計。

60枚Starlink衛星與獵鷹九號第二節火箭分離狀況的影片連續圖,影片可以看出衛星左下右下角與上側中央的固定分離環。(圖片來自SpaceX Youtube影片截圖)

衛星新型態無線網際網路資料傳輸在衛星之間是採用雷射鏈結,與地面鏈結則採用 Ku 和 Ka 波段相控陣列模組及數位處理技術。SpaceX公司所採用衛星間光學雷射鏈結,其頻率高於 10,000 千兆赫 (10T Hz) 適用在太空中長距離高速通訊。

如此網際網路通訊優勢有:

一、高頻寬,比目前手機通訊高 1000 倍,

二、低訊號傳遞延遲率,比數位衛星電視快 25 倍,

三、覆蓋率幾乎普及全球、甚至涵蓋高山與海洋地區,一枚 550 公里高度的衛星約有直徑 870 公里的覆蓋範圍,乘以部署衛星總數後總覆蓋面積為地球表面積的 14 倍以上。

衛星性能若如預期,SpaceX 的太空霸業由此開始

目前與 SpaceX 公司一樣在發展低軌道高頻寬太空網際網路通訊系統的競爭對手有:OneWeb、三星、Telesat 與 Amazon,每家均已宣布星系計畫規模與營運模式。低軌道寬頻衛星網路通訊系統的發展趨勢使得市場取消部分對地球同步軌道通訊衛星的投資,足以顯示其重要性。

今年五月 SpaceX 公司繼 2018 年 2 月 22 日發射兩枚實驗型衛星後,率先發射高數量群集衛星升空;加上回收第一節火箭與酬載整流罩的技術,使其擁有其他公司發射載具五分之一甚至十分之一的低成本發射優勢。如果這次 60 枚衛星展示了預期的性能,SpaceX 公司就具有領先的地位並佔有發展優勢,想利用低軌道高頻寬太空網際網路通訊系統的營運獲利,來發展登陸火星計畫的可行性就變得相當高,那麼現在就是 SpaceX 公司太空霸業的開始了。

曠時攝影顯現獵鷹九號發射升空形成突破天際的射線。 (陳維鈞拍攝於美國佛羅里達州卡納維爾角)

資料來源

 

  • 文章內使用 SpaceX 的相片經 SpaceX 同意使用。

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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